張 明 尚 超 平朝春 王春升 鄭曉鵬 王海燕

(中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

傳統(tǒng)的原油脫水重力沉降原理認(rèn)為水滴的沉降速度符合Stokes定律。影響水滴沉降速度的主要因素有油水兩相密度差、黏度、粒徑，由于油水較易形成乳化液，僅僅依靠重力沉降進(jìn)行油水分離，會(huì)造成分離設(shè)備體積和質(zhì)量較大。電場(chǎng)可以對(duì)分散相水滴產(chǎn)生聚結(jié)作用，使小水滴聚集變大，大大減少沉降分離的時(shí)間。傳統(tǒng)的電脫水分離器使用金屬裸電極，在原油高含水率時(shí)容易造成電極擊穿，難以正常工作。新型原油靜電聚結(jié)脫水技術(shù)創(chuàng)新性采用絕緣電極施加電場(chǎng)，可以適應(yīng)高含水原油脫水條件，利用電場(chǎng)作用破壞原油乳化液，使水滴互相吸引、聚結(jié)并最終沉降，實(shí)現(xiàn)與原油徹底分離。該項(xiàng)技術(shù)的成功應(yīng)用可以大幅減小原油脫水設(shè)備的尺寸和質(zhì)量，對(duì)降低海上平臺(tái)開發(fā)投資具有重要意義。

國(guó)外對(duì)靜電聚結(jié)器的研究開展得較早。20世紀(jì)80年代，英國(guó)Bradford大學(xué)化學(xué)工程系的Bailes教授課題組研發(fā)出靜電破乳器，可適應(yīng)含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)65%以上的脫水工況[2]。1991年， Bailes開展了W/O 型原油乳化液在高壓脈沖DC電場(chǎng)下的破乳研究,結(jié)果表明含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)50%的原油乳化液可以在高壓脈沖DC電場(chǎng)得到較好的處理。后來(lái)，ABB研究中心與挪威科技大學(xué)(NTNU)、SINTEF合作發(fā)明了容器內(nèi)置式靜電聚結(jié)器(Vessel Internal Electrostatic Coalescer,VIEC)[3],并于2003年在TrollC采油平臺(tái)的第一級(jí)三相分離器上安裝使用[4]；Aible公司推出了能適應(yīng)150 ℃高溫環(huán)境的VIEC[5]；Vetco Aibel公司研制了處理能力39.7 m3/h 的測(cè)試分離器，對(duì)靜電聚結(jié)模塊組件通電后可使分離效率由27%提高到97%[6-7]。

國(guó)內(nèi)目前在此方面的研究還處于起步階段。陳家慶 等[8]發(fā)明了一種基于介電泳破乳機(jī)理的新型原油電脫水、脫鹽設(shè)備，其核心部分為電極組件，采用波紋板狀電極，電極表面均覆蓋絕緣層；后期他們又針對(duì)容器內(nèi)置板式絕緣電極開展了大量研究工作[9-10]。張黎明 等[11]設(shè)計(jì)出一種絕緣緊湊型電破乳器，并采用聚四氟乙烯和環(huán)氧樹脂作為絕緣材料進(jìn)行了試驗(yàn)。何利民 等[12]發(fā)明了一種高效靜電聚結(jié)器，其電極為筒狀電極，外包裹致密絕緣層，筒狀電極間距小，施加電壓后產(chǎn)生高強(qiáng)電場(chǎng)，原油乳狀液中的水滴長(zhǎng)大、沉降速度增大，實(shí)現(xiàn)了油水的快速分離。

從2010年開始，崔新安、彭松梓、張明、尚超 等[13-16]針對(duì)新型靜電聚結(jié)原油脫水技術(shù)開展了技術(shù)攻關(guān)，并研發(fā)了新型絕緣電極，研制了試驗(yàn)樣機(jī)，在海上油田現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了小試、中試驗(yàn)證，取得了較好的處理效果，設(shè)備均運(yùn)行穩(wěn)定。通過(guò)海上油田現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)新型靜電聚結(jié)原油脫水裝置的操作參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證和優(yōu)化，為該項(xiàng)技術(shù)的推廣和應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。本文針對(duì)某海上油田 PUQB平臺(tái)二級(jí)三相分離器進(jìn)行了升級(jí)改造，在已有分離器內(nèi)設(shè)計(jì)安裝了靜電聚結(jié)裝置，成功實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，可為其他類似油田生產(chǎn)提供參考。

1 原有設(shè)備現(xiàn)狀及分離器靜電聚結(jié)改造

1.1 油田原有油水分離設(shè)備現(xiàn)狀

目標(biāo)油田原油屬于中質(zhì)油，20 ℃時(shí)的密度為 870 kg/m3。目前在PUQB平臺(tái)二級(jí)分離器上游設(shè)置了一臺(tái)氣液旋流分離器(GLCC)進(jìn)行氣液分離，氣液旋流分離器的氣相出口匯集到二級(jí)分離器的氣相出口，液相出口進(jìn)入二級(jí)分離器進(jìn)行油水分離。PUQB現(xiàn)有二級(jí)分離器是常規(guī)的單堰板式三相分離器(圖1)，利用堰板將分離器內(nèi)部空間分隔成混合沉降室和油室，在混合室進(jìn)行重力沉降油水分離，低含水原油由堰板上沿溢流至油室，通過(guò)原油出口進(jìn)入下游處理流程。二級(jí)分離器A、B并聯(lián)運(yùn)行，分離器尺寸為3.6 m(直徑)×10 m(長(zhǎng)度)。目前現(xiàn)場(chǎng)處理液溫度為72～73 ℃，操作壓力為320 kPaG。由于上游井口工況波動(dòng)較大，單臺(tái)二級(jí)分離器的處理液量變化范圍在5 000～9 000 m3/d，而原設(shè)計(jì)最大處理液量為5 984 m3/d，實(shí)際處理量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其原有設(shè)計(jì)能力。二級(jí)分離器入口來(lái)液含水率在10%～70%波動(dòng)，改造前二級(jí)分離器油相出口含水率為4%～35%，隨入口來(lái)液含水率波動(dòng)而發(fā)生大幅變化。二級(jí)分離器的下游流程為電脫水器，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，電脫水器只能適應(yīng)含水率為30%以下的原油脫水處理工況，在目前高含水狀態(tài)下工作已經(jīng)有較高的電極擊穿風(fēng)險(xiǎn)?？紤]到未來(lái)井口原油含水率仍有逐漸上升的趨勢(shì)，會(huì)對(duì)已有原油處理系統(tǒng)造成更大的挑戰(zhàn)，因此急需對(duì)現(xiàn)有處理設(shè)備進(jìn)行改造。

圖1 PUQB平臺(tái)現(xiàn)有二級(jí)分離器簡(jiǎn)圖

1.2 分離器靜電聚結(jié)改造

靜電聚結(jié)技術(shù)僅需要在分離器內(nèi)部增加電極結(jié)構(gòu)，不需要新增甲板面積即可實(shí)現(xiàn)原油處理系統(tǒng)處理能力的擴(kuò)容，可適應(yīng)未來(lái)高含水期油田生產(chǎn)處理的需要。本次改造工作通過(guò)在目標(biāo)油田 PUQB平臺(tái)二級(jí)分離器B實(shí)施靜電聚結(jié)改造，在分離器B罐體內(nèi)部增加了靜電聚結(jié)組件(圖2)，為傳統(tǒng)的重力沉降分離器增加了電場(chǎng)聚結(jié)破乳功能，從而提高了油水分離效率，同時(shí)減少了下游電脫水分離器的處理壓力。二級(jí)分離器B升級(jí)改造后與二級(jí)分離器A繼續(xù)并聯(lián)運(yùn)行，對(duì)比驗(yàn)證改造后的處理效果。

圖2 靜電聚結(jié)改造后的PUQB平臺(tái)二級(jí)分離器簡(jiǎn)圖

本次改造采用四層電極結(jié)構(gòu)，每?jī)蓪訛橐唤M，上下兩組電極可以實(shí)現(xiàn)獨(dú)立控制，便于根據(jù)分離器實(shí)際油水界位位置進(jìn)行通電調(diào)節(jié)。電極主要布置在油相區(qū)和油水界面乳化層的位置，可以利用電場(chǎng)的作用加速破乳和水滴聚結(jié)，從而提高油水分離效率。電源接入采用罐體開孔高壓引入，新增變壓器布置在分離器上部的操作平臺(tái)。為便于現(xiàn)場(chǎng)操作，新增了現(xiàn)場(chǎng)控制盤，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)上下兩組電極的分別供電。

分離器內(nèi)部的油水界位測(cè)量原采用的是磁浮子液位計(jì)，一直存在界位測(cè)量不準(zhǔn)的問題。為了更好地對(duì)分離器油水界位進(jìn)行準(zhǔn)確調(diào)節(jié)和控制，保證靜電聚結(jié)電場(chǎng)的作用區(qū)域，本次改造為分離器增加了射頻導(dǎo)納界位計(jì)?？紤]到二級(jí)分離器罐體頂部存在一定的氣相空間，為了保證電極組件通電工作時(shí)能完全浸沒到液相中，本次改造為二級(jí)分離器增加了一個(gè)浮球液位開關(guān)，當(dāng)分離器內(nèi)液位低于電極組件高度時(shí)，觸發(fā)開關(guān)控制變壓器自動(dòng)斷電，并且要求在罐內(nèi)液位高度滿足要求時(shí)才允許變壓器通電運(yùn)行。

2 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果分析

2.1 分離器油出口含水處理效果對(duì)比

PUQB平臺(tái)二級(jí)分離器A、B并聯(lián)運(yùn)行，需要處理的物流平均分配到A、B兩個(gè)分離器，入口液量和含水工況一致。如圖3所示,A分離器未進(jìn)行靜電聚結(jié)改造，在入口含水10%～62%工況下，油出口含水在3%～36%變化，處理效果隨入口含水率變化上下浮動(dòng)較大。由于部分工況下分離器油出口含水率較高，超過(guò)30%含水的原油進(jìn)入后續(xù)電脫水分離器處理也會(huì)使電脫水分離器增加掉電的風(fēng)險(xiǎn)。如圖4所示，B分離器進(jìn)行了靜電聚結(jié)改造，在電場(chǎng)的作用下，油相中水滴聚結(jié)變大，強(qiáng)化了油水分離效率，在同樣的入口含水10%～62%工況情況下，油出口含水可以始終保持在1%以下，改造后處理效果提升非常明顯。

圖3 未進(jìn)行靜電聚結(jié)改造的PUQB平臺(tái)二級(jí)分離器A油出口含水率變化

圖4 靜電聚結(jié)改造后的PUQB平臺(tái)二級(jí)分離器B油出口含水率變化

2.2 分離器水出口含油處理效果對(duì)比

三相分離器的水出口含油量也是衡量分離器處理效果的重要參數(shù)。如果水出口含油量過(guò)高，會(huì)增加下游生產(chǎn)水處理系統(tǒng)的處理負(fù)擔(dān)以及生產(chǎn)水處理不達(dá)標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。PUQB平臺(tái)二級(jí)分離器靜電聚結(jié)改造前后水出口含油量對(duì)比情況如圖5所示，可以看出，由于二級(jí)分離器的處理液量和來(lái)流含水率變化幅度非常大，對(duì)于未進(jìn)行靜電聚結(jié)改造的分離器A，其水出口含油在63～181 mg/L范圍內(nèi)波動(dòng)；而進(jìn)行了靜電聚結(jié)改造后的分離器B，其水出口含油量得到大幅改善，水出口含油穩(wěn)定維持在15～55 mg/L?？梢姡谟退煜鄥^(qū)建立電場(chǎng)，可以對(duì)混相區(qū)復(fù)雜的油水乳化層進(jìn)行破乳，加速油滴的上浮和水滴的下沉，從而提高分離效率。

圖5 PUQB平臺(tái)二級(jí)分離器A、B水出口含油量對(duì)比

2.3 靜電聚結(jié)模塊斷電測(cè)試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證靜電聚結(jié)模塊的作用，于2019年5月1日對(duì)PUQB平臺(tái)二級(jí)分離器B靜電聚結(jié)模塊進(jìn)行了斷電測(cè)試，斷電前后分離器油水處理效果變化如圖6、7所示?？梢钥闯?，斷電前分離器正常工作條件下，油出口含水率在1%以下波動(dòng)，水出口含油量在43 mg/L以下波動(dòng)；斷電后分離器的油出口含水量和水出口含油量均立刻顯著上升。當(dāng)水出口含油接近250 mg/L、油出口含水接近2.5%時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)為了避免水出口含油繼續(xù)上升，對(duì)下游生產(chǎn)水處理系統(tǒng)造成影響，終止了斷電實(shí)驗(yàn)，重新對(duì)油水界面進(jìn)行調(diào)整，保證水出口含油在一個(gè)比較合理的范圍內(nèi)。為了避免影響現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)流程的穩(wěn)定運(yùn)行，雖然靜電聚結(jié)模塊的斷電實(shí)驗(yàn)沒有開展很長(zhǎng)時(shí)間，但是也充分呈現(xiàn)了斷電后分離器處理效果立刻變差的趨勢(shì)，證明了靜電聚結(jié)模塊對(duì)提高油水處理效果的顯著作用。

圖6 靜電聚結(jié)模塊斷電前后PUQB平臺(tái)二級(jí)分離器B油出口含水率變化

圖7 靜電聚結(jié)模塊斷電前后PUQB平臺(tái)二級(jí)分離器B水出口含油量變化

3 結(jié)論

某海上油田PUQB平臺(tái)分離器處理液溫度為72 ℃，處理液量5 000～9 000 m3/d，入口含水率為10%～62%，對(duì)該平臺(tái)二級(jí)分離器B進(jìn)行靜電聚結(jié)改造后，分離器油出口含水率可以達(dá)到1%以下，水出口含油量可以穩(wěn)定維持在15～55 mg/L。而該平臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行未進(jìn)行靜電聚結(jié)改造的二級(jí)分離器A的操作工況與分離器B一致，但是油出口含水率為3%～36%，水出口含油量在63～181 mg/L范圍內(nèi)波動(dòng)。靜電聚結(jié)模塊進(jìn)行斷電后，該平臺(tái)二級(jí)分離器B的處理效果立刻變差，再次證明了靜電聚結(jié)模塊強(qiáng)化油水分離的作用?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果及斷電測(cè)試結(jié)果對(duì)比表明，海上油田平臺(tái)二級(jí)分離器經(jīng)過(guò)靜電聚結(jié)改造后，靜電聚結(jié)模塊可以適應(yīng)高含水工況，分離器的油水分離效果得到了大幅提升；靜電聚結(jié)技術(shù)可以大幅提高脫水效果，支持現(xiàn)役平臺(tái)提產(chǎn)改造，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。